【专利解密】上海芯元基新型GaN生长衬底助力LED芯片发展

行家说LED快讯 · 2020-04-17

已上头条

集微网消息,据半导体市场预测,到2022年氮化镓(GaN)功率器件的市场规模将达到64亿元。与此同时,国内的GaN产业也在飞速成长,涌现出一批优秀企业。前不久,上海芯元基半导体公司在“登场芯力量·云路演平台”进行项目路演,展示了薄膜结构的GaN外延器件,可广泛应用于低高端LED芯片产业中。

随着近年来半导体照明的发展,其应用领域也迅速扩大。为了提高LED发光效率和品质,诸多企业大力投入资金与人才进行生长衬底的技术研发,目前主流的衬底技术路线是蓝宝石技术路线、Si衬底技术路线、SiC衬底技术路线、GaN同质衬底技术、复合衬底技术等,而这些衬底技术有的存在后续外延生长困难的问题,低温生长条件下SiO2膜层或DBR膜层表面沉积多晶,高温条件下难以沉积GaN,外延工艺条件苛刻,难以量产;有的则需在SiO2膜层结构上进行微观图形的制作,沉积的条件非常苛刻,晶体质量也不高。因此,为了对LED应用提出更高的要求,还需要对衬底技术继续提升和挖掘来有效提高GaN基外延层及LED外延结构晶体质量,改善LED各项性能指标。

在这种条件下,上海芯元基半导体公司于2019年3月6日提出一项名为“一种复合衬底、半导体器件及其制造方法”(申请号:201910169196.X)的发明专利,申请人为上海芯元基半导体科技有限公司。

此专利主要介绍了一种复合衬底的制备技术,用于解决现有技术中LED外延窗口受到污染,外延层晶体质量不高等问题。

图1 复合衬底的制备方法

图1展示了此专利中提出的复合衬底制备方法流程,首先提供生长衬底,材料可为Al2O3、SiC、Si、ZnO或GaN等,紧接着在生长衬底上表面形成金属或者金属氧化物的保护层,以保护生长衬底表面晶体不受到刻蚀气体或聚合物的腐蚀和污染,为后续外延提供一个干净且平整的生长窗口,同时还可以起到连接生长衬底表面的半导体介质膜层的作用。在步骤3中,需要在保护层上表面形成SiO2层、Si3N4等半导体介质膜层,此半导体介质各个膜层之间折射率的差异以及介质膜层与半导体器件中GaN层之间的折射率差异可以提高半导体器件的出光率。

图2 介质膜层与凸起结构示意图

在图1的步骤4中,通过光刻与干法刻蚀工艺将半导体介质膜层13图形化,以在保护层上表面形成周期性间隔分布的凸起,凸起之间暴露出部分保护层12,如图2所示。而在步骤5中,用湿法刻蚀工艺将凸起之间暴露出的保护层12去除,以在生长衬底表面形成周期性间隔分布的凸起结构13'。凸起结构包括保护层或保护层之上的半导体介质膜层,这些位于生长衬底之上的凸起结构,可以使得形成于复合衬底表面的外延层侧向生长的晶体质量更好。

专利提出的上述工艺制作过程中,外延生长窗口得到了保护。在刻蚀过程中,衬底表面很容易受到气体或聚合物的腐蚀和污染,且难以清洗干净,衬底表面晶体被破坏,对后续外延生长很不利,难以形成高质量的外延层。而此专利中加入保护层,能够使衬底表面不受影响,为后续外延层提供一个干净且平整的生长窗口,有利于衬底的外延生长,可实现工业化量产。

以上就是上海芯元基科技半导体公司提出的GaN基复合衬底技术,结合企业自身的LED芯片技术,在大大提高LED出光效率的同时,还能大幅降低高端LED芯片的生产成本,改进现有LED的产业链结构,打破国际垄断格局,同时该技术还可扩展应用到GaN功率器件和MicroLED领域